微震監(jiān)測系統(tǒng)在綜采工作面過復(fù)雜地質(zhì)條件時的應(yīng)用

徐明亮

(煤科集團沈陽研究院有限公司)

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微震監(jiān)測系統(tǒng)在綜采工作面過復(fù)雜地質(zhì)條件時的應(yīng)用

徐明亮

(煤科集團沈陽研究院有限公司)

綜采工作面在通過復(fù)雜地質(zhì)條件時，頂板壓力情況和工作面礦壓顯現(xiàn)較正?；夭蓵r有較大區(qū)別，給井下安全生產(chǎn)帶來了較大隱患。KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)具有動態(tài)、遠距離、三維、實時監(jiān)測的特點，可根據(jù)震源情況分析覆巖空間的破裂形態(tài)并對工作面不同區(qū)域劃定沖擊危險性等級，并通過前期的數(shù)據(jù)總結(jié)得出相應(yīng)的微震事件數(shù)量和能量指標(biāo)，以及時指導(dǎo)安全生產(chǎn)。石圪臺煤礦在31201工作面回采期間上覆不規(guī)則房柱式采空區(qū)以及地表為溝谷地形，該類復(fù)雜地質(zhì)條件給礦井安全生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，為此，采用KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)對該工作面過復(fù)雜地質(zhì)條件時的頂板壓力及工作面礦壓進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果對于確保31201工作面的安全生產(chǎn)發(fā)揮了積極作用。

微震監(jiān)測系統(tǒng)綜采工作面房柱式采空區(qū)

神東煤田位于晉陜蒙交界處，為世界七大煤田之一，近年來隨著國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的西移，其開發(fā)程度越來越高。神東煤田埋藏淺，地質(zhì)條件簡單，可采煤層較多，地容地貌以丘陵為主，溝谷地形較常見。神東煤田在進行大規(guī)模開發(fā)之前大多采用房柱式開采，該采煤方法較現(xiàn)行綜采回采率較低，不但造成大量煤炭資源的浪費，而且遺留下的集中煤柱(隔離煤柱)易產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞圍巖的穩(wěn)定性，更為嚴重的是在下層煤采動時上覆采區(qū)煤柱會發(fā)生連續(xù)失穩(wěn)破壞，引發(fā)動載礦壓，嚴重危及工作人員和開采設(shè)備的安全。淺埋煤層綜采工作面在過溝谷上坡段期間極易發(fā)生動載礦壓，主要由覆巖主關(guān)鍵層被侵蝕缺失所致。相關(guān)研究表明，工作面發(fā)生動載礦壓的傾向性與溝深、溝谷坡角、所采煤層與被侵蝕上覆主關(guān)鍵層距離、溝谷走向與工作面推進方向夾角等因素密切相關(guān)。神東石圪臺煤礦31201工作面為典型的淺埋煤層，在該工作面推進過程中距回撤通道300～40m對應(yīng)地表為柳根溝，且上覆不規(guī)則房柱式采空區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，易引發(fā)動載礦壓，為使該工作面順利通過如此復(fù)雜的地質(zhì)條件，該礦引進了KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)對頂板壓力及工作面礦壓進行實時監(jiān)測，以指導(dǎo)該工作面安全生產(chǎn)。

1　微震監(jiān)測方案

1.1煤層特征

石圪臺煤礦31201工作面為31煤二盤區(qū)首采面，北側(cè)為31煤輔運大巷，其余方向均為實體煤。31201工作面回采期間上覆為22煤不規(guī)則房柱式采空區(qū)，22煤與31煤層間距為30～41.8m。31201工作面煤層起伏較小，煤層總體趨勢為東高西低，呈正坡回采，平均煤厚為3.9m。31201工作面煤層為較穩(wěn)定煤層，埋深109.2～132.2m，局部煤層頂部有厚0.2～0.6m的砂質(zhì)泥巖夾矸。31201工作面上覆基巖厚48～120m，在柳根溝流域和糖漿渠流域最薄。松散層厚0～55m，柳根溝南側(cè)最厚，柳根溝走向近似垂直于工作面的推進方向。31201綜采工作面采用走向長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤法。

1.2微震監(jiān)測原理

當(dāng)煤巖體由于人為或自然因素發(fā)生破裂、位移時，會產(chǎn)生一種微弱的地震波向周圍傳播，在空間上不同方位設(shè)置的微震傳感器可記錄該類微地震波的到達時間、傳播方向等信息，在此基礎(chǔ)上采用各種計算方法在特定的波速場條件下進行三維定位以確定巖石的破裂點，即震源的空間位置，同時利用震相持續(xù)時間計算震源所釋放的能量和震級，將該類參數(shù)標(biāo)入采掘工程平面圖，可圈定振動頻繁的區(qū)域，通過前期監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)經(jīng)驗并預(yù)測其對生產(chǎn)活動的影響，可提前進行危險性預(yù)警[1-6]。微震定位原理如圖1所示。KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)是一款實時監(jiān)測煤礦微震事件的計算機在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將計算機監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)融為一體，實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境條件下對煤礦井下微震事件變化情況的自動監(jiān)測和分析。

圖1　震源定位原理

1.331201工作面微震監(jiān)測測點分布

為拾取更多有效信號及進行精確定位，測點采用井下和地面相結(jié)合的布置方式，具體布置方式為：31201膠運及回風(fēng)順槽各布置拾震器8個，間距30m，隨工作面推進向前移動；在工作面上方分散布置測點5個，共布置拾震器21個。

2　微震監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)過前期的微震數(shù)據(jù)總結(jié)，得到了31煤頂板和22煤頂板來壓的數(shù)量和能量預(yù)警值，31201工作面通過柳根溝的起止日期為2014年6月7日—7月5日，在此期間的微震監(jiān)測數(shù)量和能量指標(biāo)如圖2所示。

圖2　31201工作面過柳根溝期間的微震數(shù)量和能量分布□—微震事件數(shù)量；◆—微震事件能量

結(jié)合井下支架壓力數(shù)據(jù)繪制了31201工作面過柳根溝期間的礦壓云圖，如圖3所示。

圖3　31201工作面過柳根溝期間礦壓云圖

由圖3可知：在過柳根溝期間，31201工作面的周期來壓步距較正?；夭善陂g變化非常大，在過柳根溝期間有5次較大的來壓，第1次、第2次較大來壓發(fā)生于剛進入柳根溝底的位置，第3次、第4次較大來壓發(fā)生于剛出柳根溝底的位置，第5次強烈來壓發(fā)生于上坡最后階段。第1次來壓集中于35～125架，來壓步距為13.04m，來壓持續(xù)7.06m，來壓強度大，持續(xù)長度大，最大片幫為1m，40～120架最大壓力為50MPa。第2次來壓集中于35～110架，來壓步距為16.09m，來壓持續(xù)3.35m，40～110架最大壓力為49.2MPa，最大片幫0.8m，弱于上一次來壓。第3次來壓集中于50～120架，來壓步距為18.14m，來壓持續(xù)4m，來壓強度劇烈，50～100架安全閥開啟，立柱下沉1.2～1.5m。第4次來壓集中于40～85架，來壓步距為11.65m，來壓持續(xù)4.32m，來壓強度較強，片幫深度800mm，40～90架安全閥局部開啟，立柱下沉300mm。第5次來壓集中于20～150架，來壓步距為11.12m，來壓一直持續(xù)至坡頂，來壓強度劇烈，30～120架最大壓力為48MPa，片幫深度800mm，漏矸高度最大達到1 000mm，30～120架安全閥局部開啟。

31201工作面在正?；夭蓵r的周期來壓平均步距為13.6m，來壓段平均持續(xù)6.16m，來壓時壓力峰值達到46.5MPa，與其過柳根溝期間出現(xiàn)了較大差別：①在下坡期間將近50m未出現(xiàn)較大壓力，在溝底期間也將近52m未出現(xiàn)較大壓力，上坡期間近30m壓力處于較低水平(圖3矩形框區(qū)域)；②過柳根溝期間工作面共出現(xiàn)5次強烈來壓，5次來壓步距無規(guī)律可循，前4次來壓段持續(xù)距離較正?；夭善陂g減小，第5次來壓持續(xù)距離較長；③正?；夭善陂g大部分為局部交替來壓，而過柳根溝期間來壓則表現(xiàn)為工作面整體來壓，來壓范圍增大，壓力峰值也由正?；夭善陂g的46.5MPa增大至50MPa。

3　結(jié)　語

綜采工作面推進過程中遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時，來壓步距以及壓力持續(xù)距離無規(guī)律可循，給工作面安全生產(chǎn)帶來了較大隱患，微震監(jiān)測系統(tǒng)可對礦壓提前預(yù)警，對煤礦的安全生產(chǎn)提供了必要的幫助。在石圪臺煤礦31201綜采工作面順利通過上覆房柱式采空區(qū)和溝谷地形的過程中，應(yīng)用KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)對該工作面通過復(fù)雜地質(zhì)條件時的微震時間數(shù)量、能量分布以及礦壓變化情況進行了監(jiān)測，在31201工作面正常推進過程中，由微震事件的數(shù)量和能量指標(biāo)基本可實現(xiàn)對動壓的提前預(yù)警，便于生產(chǎn)人員有相對充裕的時間提前采取措施規(guī)避風(fēng)險，為確保該工作面的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

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2016-06-22)

徐明亮(1981—)，男，工程師，碩士，110000 遼寧省沈陽市沈河區(qū)東濱河路108號。